Im Erbe verwurzelt: Wie ein 30 Jahre alter Katamaran weiterhin Geschwindigkeitsrekorde bricht

Gougeon Brothers Inc. (Bay City, MI, USA) sandte kürzlich eine interessante Pressemitteilung über einen 28 Jahre alten Katamaran, der immer noch Geschwindigkeitsrekorde aufstellt und deutlich neuere Boote schlägt. Incognito ist ein Verbund-Katamaran, der 1990 von Gougeon Manufacturing gefertigt wurde. Russell Brown aus Port Townsend, WA, fuhr das 28 Jahre alte Schiff, eine G32, einhändig im gnadenlosen R2AK (Race to Alaska). In der Qualifikationsetappe von Port Townsend WA nach Victoria, BC, beendete er 40 Minuten vor dem Rest der Flotte. Er führte das Rennen dann drei Tage lang an und war zum zweiten Jahr in Folge der erste Solo-Finisher, wobei er seinen rekordverdächtigen 2017-Sieg an Bord desselben Bootes um mehr als 24 Stunden unterbot.

So war ich überrascht, auf der Gougeon-Website ein langes und detailliertes Entwicklungs-, Design- und Konstruktionsdokument (letzte Aktualisierung: 1996) zu finden, das den mühsamen Prozess beschreibt, den Meade und Jan Gougeon durchliefen, um den schnellen G32-Katamaran zu bauen, was wahrscheinlich seinen Erfolg 28 Jahre später erklärt. Ich habe unten Abschnitte entnommen, und Sie können das Dokument vollständig hier lesen: https://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/welcome.html.

Entstehung aus der Windkraftkrise

„Als wir 1990 beschlossen, unsere Windflügel-Fertigungsanlage wieder zu öffnen, die drei Jahre lang stillstand aufgrund des dramatischen Einbruchs der Windindustrie 1986, akzeptierten wir, dass die Windindustrie noch weit von ihrer früheren Gesundheit entfernt war. Wir mussten die Werksgemeinkosten mit einem zweiten Produkt teilen, bis das Windgeschäft zu früheren Niveaus zurückkehrte. Neben Windflügeln begannen wir mit der Herstellung eines einzigartigen, trailerbaren 32-Fuß-Katamarans namens ‚G-32‘. Mein Bruder Jan und ich dachten lange, es gäbe einen großen Markt für einen leichten Katamaran, der schnell ist, Spaß beim Segeln macht, Wochenendunterkunft für 2 oder 3 bietet und unter 35.000 $ kostet. Wir hatten nicht die Absicht, große Stückzahlen zu erreichen; wenn wir zwei pro Woche bauen könnten, würden wir unsere finanziellen Ziele erreichen, drei pro Woche wären profitabel.“

Innovative Fertigungsmethode für Leichtbau

„Der G-32 wurde so konzipiert, dass die gesamte Struktur in zwei großen Formen, einer oberen und unteren, gebaut werden konnte, die in einem großen Klebevorgang an der Mittellinie verbunden wurden. Dies ermöglichte minimalen Werkzeug- und Formenaufwand, was Low-Volume-Produktion finanziell machbar machte. Die größte Designherausforderung war, den G-32 leicht genug zu bauen, um von einem Mittelklassewagen gezogen zu werden. Dafür durfte das Gesamtgewicht von Boot und Trailer 2.200 lbs (ca. 1.000 kg) nicht überschreiten. Unser Ansatz konzentrierte sich auf zwei Bereiche: Erstens haben wir so viel unnötiges Gewicht wie möglich aus dem Boot konstruiert. Wir hielten die Oberfläche minimal und entwarfen die Struktur sorgfältig für erwartete Lasten. Zum Beispiel diente die Kajüte als großer Torsionskasten für die notwendige Torsionssteifigkeit zwischen den beiden Rümpfen. Zweitens nutzten wir die leichteste Fertigungstechnologie, die wir uns innerhalb unserer Kostenziele leisten konnten. Wir konnten nicht mehr als 10 $/lb für geformte Schalen ausgeben, und diese durften nicht mehr als 800 lbs (ca. 360 kg) insgesamt wiegen.

„Wir hatten viele Jahre Erfahrung im Bau von High-Tech-‚Einzelstück‘-Rennsegelbooten, bei denen exotische Fasern, teure Kernmaterialien und Epoxidharze verwendet wurden, um sehr leichte, aber teure Boote zu schaffen. Die geformten Teile dieser Custom-Boote konnten leicht 50 bis 100 $/lb kosten. Typischerweise wurden diese High-Tech-Boote über Positivformen laminiert, was mehrfache Vakuumbeutelanwendungen erforderte, um ein leichtes, kompaktes Laminat zu erreichen. Drei separate Vakuumbeutelanwendungen waren Minimum, da die beiden Schalen und der trennende Kern alle separate Kompaktion benötigten, um ein Qualitätslaminat zu gewährleisten. Boote mit Prepreg-Materialien, wie die jüngsten America's-Cup-Yachten, könnten 6 bis 10 Vakuumbeutelanwendungen zum Entbulken jeder Lage und dann eine finale Kompaktion aller Lagen vor einer ofengesteuerten Aushärtung benötigen. Das Herstellen und Anwenden von Vakuumbeuteln ist arbeitsintensiv, was ihre Nutzung im Produktionsbootbau, wo immer Negativformen verwendet werden, einschränkte. In der Vergangenheit führten Versuche, Kerne in handgelegte Außenschalen in Negativformen zu vakuumbeuteln, zu übermäßigem Print-Through, was das Interesse der Bauherren weiter verringerte.“

Die Gougeon-Brüder führen aus, dass trotz dieser Probleme Vakuumbeuteln und Infusion ein Muss waren, um Laminatgewicht zu sparen. Also wählten sie, um sowohl Gewicht als auch Kosten zu sparen, eine für die Zeit neue Fertigungsmethode mit folgenden Schritten:

1. Epoxidharz, formuliert mit längerer Offene-Zeit, würde für maximale Eigenschaften verwendet, wobei die Offene-Zeit nur einen Vakuumschritt ermöglicht, bei dem das gesamte Laminat auf einmal kompaktiert wird.
2. Ein Polyester-Gelcoat in Negativformen würde eine kostengünstige, aber fertige Oberfläche mit minimalem Print-Through geben. Die Autoren merken an, dass sie das erhebliche Problem der Verbindung der Polyester-Gelcoat-Oberfläche und des Epoxidlaminats mit einer speziell entwickelten Zwischenschicht (Tie-Coat) lösten, die zwischen den beiden ungleichen Materialien während des Fertigungsprozesses aufgetragen wird.
3. Alle Verstärkungsmaterialien würden mechanisch mit einer Rollenbeschichtungsmaschine benetzt, um Arbeit zu reduzieren und bessere Harzkontrolle zu erreichen.
4. Das speziell entwickelte Epoxidharz mit langer Offener-Zeit würde nachgehärtet bei Temperaturen nicht über 140 °F (60 °C), um hohe physikalische Eigenschaften zu erreichen.

Die beiden Brüder bewerteten Verstärkungsmaterialien sorgfältig, um das beste Laminat unter Berücksichtigung von Kosten, Plattenperformance, Montageaufwand und fertiger Außeroberflächenqualität zu erzielen. Eine Matrix von 30 Kombinationen wurde initial evaluiert (Tabelle hier: https://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/goufig1.htm) mit Fokus auf genähtes E-Glas. Kern wurde sorgfältig in verschiedenen Dicken und Materialien evaluiert, da er die teuerste Komponente war. Das PRO-SET-Epoxidharzsystem mit einer Offenen-Zeit von 4 Stunden wurde in Gougeons eigenen Labors ausdrücklich für diesen neuen Fertigungsprozess entwickelt.

Die beiden Brüder fertigten letztlich 30 Testplatten mit den Materialien der Matrix an, schränkten diese auf 12 Materialkombinationen für Ermüdungstests auf dem firmeneigenen Hydromat-Prüfstand ein. Ihre Schlüsselfrage: „Wie viel Steifigkeit war nötig, damit das Boot in den am höchsten beanspruchten Betriebsbedingungen ordnungsgemäß performt?“ Basierend auf den Testergebnissen wurden Designänderungen vorgenommen, um flache Bereiche im Bootsdesign zu reduzieren, da diese zusätzliche Steifigkeit erforderten, sodass ein weniger steifes, kostengünstigeres Panel genutzt werden konnte.

„Wir stellten fest, dass langfristiger Plattenwiderstand gegen zyklische Ermüdungslasten von 5 psi und intermittierende Schlaglasten bis 15 psi für das langfristige Überleben der G-32-Struktur notwendig waren. Dieses Kriterium wurde nicht wissenschaftlich etabliert, wie durch tatsächliche Messung mit Dehnungsmessstreifen (was schwierig ist). Es spiegelte stattdessen unsere Erfahrung mit der Performance mehrerer Materialkombinationen wider, die zum Bau zahlreicher Wasserfahrzeuge mit verschiedenem Erfolg und Misserfolg über die Jahre genutzt wurden. Dies ist der typische, historische Trial-and-Error-Ansatz im Bootsdesign und -engineering, der der Industrie seit der jüngsten revolutionären Entwicklung von Verbundmaterialien nicht gut gedient hat. Neue Testmethoden wie der Hydromat sind ein Versuch, Verbundwerkstoffleistung besser zu bewerten, indem tatsächliche Lastbedingungen eng simuliert werden, damit fundiertere Entscheidungen getroffen werden können.“

Das Dokument beschreibt detailliert den Kurzzyklus-Ermüdungstestprozess. Die letztlich gewählte Materialkombination, so die Autoren, „war nicht das stärkste Panel in einem der strukturellen Bereiche Steifigkeit, Höchstfestigkeit oder Ermüdung. Es war jedoch mehr als ausreichend, um die strukturellen Bedürfnisse des G-32-Bootsprojekts zu unterstützen. Wichtiger war, dass Panel #48 in drei anderen Bereichen gut abschnitt: Kosten, Gewicht und Fertigungsfreundlichkeit.“ Panel #48 bestand aus multiaxialen Glasfaserschalen von Brunswick Technologies Inc. über einem Klegecell-PVC-Schaumkern von DIAB.

Interessanterweise war einer der schwierigsten Teile des Projekts, so die Autoren, das Erreichen der hochglänzenden Außenoberfläche ohne das übermäßige Gewicht, das Gelcoats hinzufügen können. Die Lösung war, einen hochqualifizierten Einzelnen für die bestmögliche Gelcoat-Applikation einzusetzen, sagen die Gougeon-Brüder.

Trotz der Sorgfalt bei Design und Materialauswahl wurde das Kosten Ziel von 10 $ pro lb fertiges Laminat nicht ganz erreicht, weil die Brüder Ende 1992 beschlossen, die Windenergiesparte zu verkaufen, was den Hauptgrund für das Bootsprojekt beseitigte. Die Produktion wurde kurz darauf eingestellt, nach Fertigung von nur 14 G-32s. Aber, so sagen sie, wird die beim G-32 entwickelte Epoxid-basierte Bootsbautechnologie jetzt weit verbreitet im Bau von Hochleistungsbooten in Negativformen genutzt. Meade und Jan Gougeon glauben, dass ihr Fertigungsprozess die Herstellungskosten von Epoxid-basierten Booten im Vergleich zum Bau von Custom-Booten auf Positivformen drastisch reduzierte. Außerdem eliminierte es Styrol und bot größere Kontrolle über Offene-Zeit und Aushärteraten. Sie schließen: „…die 14 G-32s, die gebaut wurden, haben wie erwartet performt, ohne strukturelle Versagen jeglicher Art. Ein Bonus ist, dass ihr geringes Gewicht, kombiniert mit langen schlanken Rümpfen, für außergewöhnlich schnelle Boote gesorgt hat, die viele Rennen gewonnen haben.“ Und 28 Jahre später gewinnen sie weiterhin!